基于現(xiàn)場流變試驗的軟巖巷道變形破壞機(jī)理及支護(hù)研究

朱若軍

(國投新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001)

基于現(xiàn)場流變試驗的軟巖巷道變形破壞機(jī)理及支護(hù)研究

朱若軍

(國投新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001)

摘要：軟巖巷道變形破壞是煤礦深部開采軟巖巷道支護(hù)的主要災(zāi)害之一?；趪缎录瘎⑶f礦深部泥巖現(xiàn)場三軸流變試驗和數(shù)值模擬，分析了軟巖巷道變形破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)。采用阻尼最小二乘法逐次線性化的間接方法，利用非線性流變力學(xué)模型，擬合得到泥巖蠕變本構(gòu)方程，分析得出劉莊礦深部軟巖巷道的合理支護(hù)方式，即采用反底拱和全封閉的施工方式，順層掘進(jìn)的重要硐室錨桿打按方位應(yīng)盡可能與層面垂直，同時進(jìn)行底板錨注補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

關(guān)鍵詞：軟巖巷道；現(xiàn)場三軸流變試驗；變形破壞機(jī)理；數(shù)值模擬；支護(hù)

目前，隨著煤礦開采深度的增加，大部分煤礦出現(xiàn)了不同程度的軟巖災(zāi)害。文獻(xiàn)統(tǒng)計[1-2]我國每年掘進(jìn)巷道約6000km，深部軟巖巷道占28%～30%，而軟巖巷道的返修率則高達(dá)70%以上，可見軟巖巷道支護(hù)問題是困擾礦山生產(chǎn)和建設(shè)的難題之一，因此，國內(nèi)外大量學(xué)者進(jìn)行了軟巖巷道的支護(hù)研究[3-6]，提出了許多軟巖支護(hù)理論與穩(wěn)定控制技術(shù)，解決了許多工程問題。

隨著我國淺部煤炭資源趨于枯竭及礦井開采強(qiáng)度的不斷增大，煤炭開采已由淺部逐漸向深部發(fā)展，礦井進(jìn)入深部開采階段，巷道圍巖地質(zhì)條件更加復(fù)雜，地應(yīng)力水平也越來越高，特別是在地質(zhì)構(gòu)造活動強(qiáng)烈地區(qū)，殘余構(gòu)造應(yīng)力更大，在深部高應(yīng)力狀態(tài)下，軟巖巷道圍巖變形量大、變形速率快、持續(xù)時間長、流變性特別突出，流變破壞是深部高應(yīng)力軟巖巷道失穩(wěn)破壞主要形式之一。大量的工程實踐表明，深部高應(yīng)力軟巖巷道開挖以后，巷道圍巖一般不會在短時間內(nèi)發(fā)生變形破壞，而是在高應(yīng)力作用下表現(xiàn)出顯著的流變特性，致使巷道圍巖在變形延續(xù)較長時間后才產(chǎn)生破壞，具有明顯的時效性[7-8]。

劉莊礦泥巖等軟巖層的流變特征較為顯著，軟巖巷道變形破壞嚴(yán)重，破壞形式主要是巷道邊墻破壞、巷道拱腰破壞、巷道頂拱破壞、巷道底鼓等，增加了巷道翻修成本，影響了安全生產(chǎn)。本文結(jié)合劉莊礦現(xiàn)場三軸流變試驗，對軟巖巷道變形破壞機(jī)理進(jìn)行了分析?；诹髯冊囼灲Y(jié)果擬合得到了泥巖本構(gòu)方程，對變形破壞機(jī)理作了進(jìn)一步研究，結(jié)合劉莊礦實際情況提出兩種軟巖支護(hù)施工方案并對方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對比提出合理支護(hù)方式。

1軟巖巷道現(xiàn)場流變測試與分析

現(xiàn)場流變測試取樣點位于西區(qū)-760m井底車場掘進(jìn)煤翻車機(jī)硐室的試驗巷道中段泥巖地層，取樣點間隔為5～8m。用直徑40mm的十字形鉆頭(配備相同直徑的鋼管導(dǎo)向)進(jìn)行鉆孔，鉆孔完畢后采用靜態(tài)或松動爆破進(jìn)行試件周邊槽的開挖，槽長2040mm，槽寬770mm，槽深1000mm。試樣共2塊泥巖，尺寸為500mm×500mm×1000mm(長×寬×高)，分兩次進(jìn)行加工，在一個試樣流變試驗完成后進(jìn)行第二塊試樣加工，試樣全部需要用風(fēng)鉆、手式開挖以減小對試體的擾動。打磨修正試樣表面，平整度小于5mm，并用高標(biāo)號水泥抹平。

蠕變試驗的加載方式有單級加載、分級加載兩種方式。先施加相同的圍壓和軸向應(yīng)力，后對軸向應(yīng)力逐級加載，當(dāng)本級荷載作用下的圍巖位移速率小于0.01mm/h時，施加下一級荷載，直至試樣破壞；試樣垂直方向施加四個百分表測讀軸向位移，測向各安裝2個百分表測讀位移。

通過對泥巖的蠕變現(xiàn)場試驗，現(xiàn)場巖體在蠕變過程中的蠕變呈現(xiàn)如下特點與時效特征。

1.1試樣1蠕變特征

試樣1蠕變特征見圖1。第一級荷載，軸向應(yīng)力2.5MPa，側(cè)向應(yīng)力2MPa，試樣為初期蠕變階段；第二級荷載，軸向應(yīng)力3.5MPa，側(cè)向應(yīng)力2MPa，試樣為等速蠕變階段；第三級荷載，軸向應(yīng)力4.5MPa，側(cè)向應(yīng)力2MPa；試樣為等速蠕變階段；第四級荷載，軸向應(yīng)力5.3MPa，試樣進(jìn)入加速破壞階段。

1.2試樣2蠕變特征

試樣2蠕變特征見圖2。第一級荷載，軸向應(yīng)力3.75MPa，側(cè)向應(yīng)力1.83MPa，試樣為初期蠕變階段；第二級荷載，軸向應(yīng)力5.76MPa，側(cè)向應(yīng)力1.83MPa，試樣為等速蠕變階段；第三級荷載，軸向應(yīng)力6.20MPa，側(cè)向應(yīng)力1.83MPa；試樣為等速蠕變階段；第四級荷載，軸向應(yīng)力7.78MPa，試樣進(jìn)入加速破壞階段。

分析上述試驗結(jié)果可以得到以下結(jié)論。①每一級應(yīng)力加載瞬間，試樣產(chǎn)生瞬時彈性位移，其量值隨著應(yīng)力水平的提高呈現(xiàn)增大的趨勢；每一級荷載下瞬時變形是總變形的主要組成部分。②蠕變試驗過程中，軟巖蠕變沒有呈現(xiàn)明顯的初始蠕變強(qiáng)度，試驗在較低的應(yīng)力水平下，巖樣的位移就呈現(xiàn)隨時間明顯增大的特點。在較低的應(yīng)力水平下呈現(xiàn)初期蠕變的特點，在相對較高應(yīng)力水平下呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變的特性，但其蠕變速率呈現(xiàn)隨時間增大的趨勢。③從本次試驗結(jié)果看，當(dāng)軸向應(yīng)力在5M～6MPa時，試樣呈現(xiàn)破壞特征，其變形速率增長非常迅速，從試樣加速變形至破裂，歷時很短，產(chǎn)生宏觀的裂縫及邊角脫落等現(xiàn)象，其側(cè)向膨脹也相當(dāng)顯著。

圖1　試樣1現(xiàn)場流變試驗蠕變結(jié)果

圖2　試樣2現(xiàn)場流變試驗蠕變結(jié)果

2基于流變結(jié)果分析軟巖破壞機(jī)理

根據(jù)劉莊礦深部軟巖現(xiàn)場流變試驗結(jié)果，應(yīng)用非線性流變力學(xué)模型，采用最小二乘法中的阻尼最小二乘法(Marquardt法)逐次線性化的間接方法[9-11]，對試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如下所述。

2.1試樣1蠕變實驗擬合結(jié)果

試樣1蠕變實驗擬合結(jié)果見圖3。第一級荷載，Mises應(yīng)力2.05MPa，試樣為初期蠕變階段；第二級荷載，Mises應(yīng)力2.95MPa，試樣為等速蠕變階段；第三級荷載，Mises應(yīng)力3.87MPa，試樣為等速蠕變階段；第四級荷載，Mises應(yīng)力4.40MPa，試樣進(jìn)入加速破壞階段。其蠕變方程可描述為式(1)。

(1)

式中：t為時間，min；q為Mises應(yīng)力，MPa。因此，根據(jù)試驗結(jié)果可以擬合該泥巖試樣的蠕變本構(gòu)方程，見式(2)。

(2)

式中，m=0.358q-0.679 。

2.2試樣2蠕變試驗擬合結(jié)果

試樣2蠕變試驗擬合結(jié)果見圖4。第一級荷載，Mises應(yīng)力3.25MPa，為初期蠕變階段；第二級荷載，Mises應(yīng)力4.95MPa，為等速蠕變階段；第三級荷載，Mises應(yīng)力5.52MPa，為等速蠕變階段級荷載；第四級荷載，Mises應(yīng)力8.00MPa，為加速破壞階段。其蠕變方程可描述為式(3)。

(3)

式中：t為時間，Min；q為Mises應(yīng)力，MPa。因此，根據(jù)試驗結(jié)果可以擬合該泥巖試樣的蠕變本構(gòu)方程，見式(4)。

(4)

式中，m=0.167q-0.52。

圖3　試樣1現(xiàn)場流變試驗擬合結(jié)果

圖4　試樣2現(xiàn)場流變試驗擬合結(jié)果

上述兩個試樣的蠕變本構(gòu)方程表明，泥巖的蠕變速率不僅與應(yīng)力水平相關(guān)，還與發(fā)生的時間密切相關(guān)。根據(jù)試驗結(jié)果建立的深部泥巖的非線性流變力學(xué)方程，可以為深部泥巖巷道的支護(hù)設(shè)計優(yōu)化和長期穩(wěn)定性評估提供理論依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場流變試驗的結(jié)果可以得到如下結(jié)論。①劉莊礦泥巖、炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度較低，而初始地應(yīng)力17MPa(垂直應(yīng)力)大，使得巷道呈現(xiàn)較為顯著的高地應(yīng)力巷道特征，礦區(qū)泥巖最突出的特點是泥巖具有強(qiáng)烈的流變性，表現(xiàn)在巷道開挖后出現(xiàn)的大變形特征，試驗巷道硐室開挖后兩個多月時間，其底臌量達(dá)到800mm。同時底板泥巖在水的作用下呈現(xiàn)十分明顯的軟化及膨脹特征。②泥巖在荷載作用下呈現(xiàn)的蠕變特征：荷載較低時，蠕變速率和量值也較低，隨著荷載的增加，泥巖的蠕變速度呈現(xiàn)增大的趨勢，蠕變試驗經(jīng)歷了初期蠕變、等速蠕變和加速蠕變?nèi)齻€階段，從蠕變速率曲線看出泥巖蠕變速率隨時間緩慢增加的特征，反映泥巖的非線性流變特征，與試驗過程中微裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展等過程密切相關(guān)，表現(xiàn)為明顯的擴(kuò)容特征。③根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果分析，劉莊礦泥巖的變形模量大約為1.0GPa；根據(jù)現(xiàn)場三軸流變試驗，泥巖的內(nèi)摩擦角Φ=35°，粘結(jié)力1.1MPa，該指標(biāo)表明泥巖的宏觀力學(xué)參數(shù)較差，因此在巷道支護(hù)設(shè)計中應(yīng)予高度重視，通過設(shè)置合理的斷面形式和支護(hù)參數(shù)，減小巷道的大修工作量，保證巷道的長期穩(wěn)定性，減少工程成本。

3支護(hù)方案

根據(jù)劉莊礦軟巖巷道破壞機(jī)理和目前的支護(hù)方式，提出兩種軟巖巷道支護(hù)方案。

方案一：采用36#U型鋼拱架間距0.6m，噴射混凝土100mm。二次在巷道拱頂及幫布置中空錨桿φ22mm、間距2m×2m注漿。巷底不作支護(hù)。

方案二：采用36#U型鋼拱架間距0.6m，噴射混凝土100mm，巷底施作下弧拱，36#U型鋼反底拱架全斷面封閉式支護(hù)，底拱最大深度100cm，在開挖及施作好鋼拱架后采用混凝土回填。二次在巷道拱頂及幫布置中空錨桿φ22mm、間距2m×2m注漿。

結(jié)合劉莊礦深部巷道巖層特性，利用數(shù)值模擬，對兩種方案在蠕變特征、層理面損傷方面進(jìn)行對比。

圖5為方案一蠕變應(yīng)變分布圖，圖6為方案二蠕變應(yīng)變分布圖。從圖5和圖6可以看出，方案一和方案二在拱底和下拱腰部位蠕變程度較大，且方案一的蠕變應(yīng)變發(fā)生的范圍更廣。

圖7和圖8分別為兩種方案軟弱夾層損失破壞分布示意圖。由于各巖層之間均有一定厚度的軟弱夾層，通過計算發(fā)現(xiàn)，在硐室所在巖層的軟弱夾層發(fā)生的損傷范圍較大，尤其是上部炭質(zhì)泥巖和煤層之間的夾層，損傷范圍達(dá)到9.5m。從圖7和圖8可以看出方案二軟弱夾層損傷范圍稍小，相對于方案一，巷道頂部上方軟弱夾層損傷不明顯。

圖5　方案一蠕變應(yīng)變分布圖

圖6　方案二蠕變應(yīng)變分布圖

圖7　方案一軟弱夾層損失破壞分布圖

圖8　方案二軟弱夾層損失破壞分布圖

4結(jié)語

結(jié)合劉莊礦深部泥巖現(xiàn)場三軸流變試驗和數(shù)值模擬，對軟巖巷道變形破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了分析，擬合得到泥巖蠕變本構(gòu)方程。

反底拱施工方案能有效的減小巷道底板的位移，對比無反底拱施工方案，在圍巖體流變半年后，拱底最大位移減小近33cm?，F(xiàn)場已經(jīng)施工地段的實踐表明：巷道未施作仰拱的地段，施工后兩個月的底臌量已經(jīng)達(dá)到800mm，嚴(yán)重影響巷道的正常使用。通過對有無反底拱施工技術(shù)方案的比較，施作反底拱后，巷道的水平方向和底板的破損區(qū)都有顯著減小。因此，對軟巖區(qū)長期服務(wù)巷道應(yīng)采用反底拱和全封閉的施工方式，減小巷道的維修工作量。

巖層的軟弱夾層發(fā)生的損傷范圍較大，尤其是上部炭質(zhì)泥巖和煤層之間的夾層，損傷范圍達(dá)到9.5m。對于順層掘進(jìn)的重要硐室，其錨桿的方位應(yīng)盡可能和層面垂直，這樣才能將弱面串聯(lián)成一體。同時對底板進(jìn)行錨注，有利于防止控制底板大變形。

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Research on the deformation and failure mechanism of soft rock roadways and supporting technology based on triaxial rheological experiments in site

ZHU Ruo-jun

(SDIC Xinji Energy Co.，Ltd.，Huainan 232001，China)

Abstract:The soft rock deformation and failure are the serious disasters in soft rock roadway supporting in the deep mining of coal mine.Based on the triaxial rheological experiments in site of mudstone in Liuzhuang mine and numerical modeling，the deformation and failure mechanism of soft rock roadways and its supporting technology were analyzed.The damped least square method (Marquardt method) was used to the indirect gradual linearization analysis and the creeping constitutive equations were formed by using the nonlinear rheological model.Then the reasonable supporting mode of deep soft rock roadway in Liuzhuang mine was obtained.That is，adopting the inverted arch and fully closed construction mode，keeping the bolt drilling and installation orientation in the major chamber of bedded tunneling vertical to the bedding plane and supporting roadway by bolting and grouting reinforcement floor.

Key words：soft rock roadway；triaxial rheological experiments in site；deformation and failure mechanism；numerical modeling；supporting technology

收稿日期：2015-10-11

作者簡介：朱若軍(1974-)，男，安徽安慶人，高級工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)和技術(shù)管理工作。E-mail：ahthzrj@163.com。

中圖分類號：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)06-0084-04